Xây dựng một số bài thí nghiệm cơ học thuộc chương trình vật lý thpt với thiết bị cảm biến addestation

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ……………
KHOA ………….
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

ĐỀ CƯƠNG
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:……

Sinh viên:
Khóa học:…..

NGUYỄN HỒNG TÚ TRINH
Đà Nẵng, tháng/năm

XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM CƠ HỌC
THUỘC CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ THPT
VỚI THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ……………
KHOA ………….
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

ĐỀ CƯƠNG
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:……

Sinh viên:
Khóa học:…..

NGUYỄN HỒNG TÚ TRINH
Đà Nẵng, tháng/năm

XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM CƠ HỌC
THUỘC CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ THPT
VỚI THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành : Sƣ phạm Vật lý
Khóa học
: 2013 – 2017
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Nhật Quang

Đà Nẵng, 2017


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện khóa luận, em luôn nhận đƣợc sự quan tâm và giúp
đỡ rất lớn từ q Thầy cơ, gia đình và bạn bè. Em xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn chân
thành của mình đến:
ThS. Nguyễn Nhật Quang – ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn về mặt chuyên môn, đã
tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ em vƣợt qua những khó khăn trong

suốt q trình thực hiện đề tài.
Q thầy cơ giáo trong khoa Vật Lý, cán bộ nhà trƣờng đã giảng dạy và giúp đỡ
em trong suốt bốn năm học gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi điều kiện để em
hồn thành khóa luận.
Dù đã cố gắng nhƣng khóa luận này khơng thể tránh khỏi những sai sót, em rất
mong nhận đƣợc những góp ý, đề xuất từ quý từ thầy cô và các bạn để em có thể hồn
thiện đề tài của mình hơn.
Đà Nẵng, tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Tú Trinh

i


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU ....................................................vi
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ..............................................................................................2
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................3
6. Tổng quan vấn đề nghiên cứu .................................................................................3
NỘI DUNG .....................................................................................................................5
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG CÔNG

NGHỆ CẢM BIẾN ADDESTATION ..........................................................................5
1.1. Sơ lƣợc về thiết bị cảm biến Addestation .............................................................5
1.1.1. Cảm biến là gì? ...............................................................................................5
1.1.2. Thiết bị cảm biến Addestation ........................................................................5
1.2. Bộ giải pháp Addestation trong thí nghiệm Vật lý THPT ....................................7
1.2.1. Thiết bị xử lí dữ liệu .......................................................................................7
1.2.2. Các cảm biến .................................................................................................10
1.2.3. Các bộ dụng cụ thí nghiệm ...........................................................................12
1.3. Kết luận chƣơng 1 ...............................................................................................13
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TIÊU BIỂU SỬ
DỤNG THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION .....................................................15
2.1. Khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng ..........................................................15
2.1.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................15
2.1.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................15
2.1.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................16
2.1.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................17
2.1.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................20
2.1.6. Kết luận bài 1 ................................................................................................24
ii


2.2. Xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do .................................................................25
2.2.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................25
2.2.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................25
2.2.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................25
2.2.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................26
2.2.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................28
2.2.6. Kết luận bài 2 ................................................................................................31
2.3. Định luật II Newton ............................................................................................31
2.3.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................31

2.3.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................31
2.3.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................31
2.3.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................33
2.3.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................36
2.3.6. Kết luận bài 3 ................................................................................................40
2.4. Định luật Hooke ..................................................................................................40
2.4.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................40
2.4.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................40
2.4.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................41
2.4.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................42
2.4.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................43
2.4.6. Kết luận bài 4 ................................................................................................46
2.5. Định luật bảo tồn cơ năng .................................................................................47
2.5.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................47
2.5.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................47
2.5.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................48
2.5.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................48
2.5.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................51
2.5.6. Kết luận bài 5 ................................................................................................54
2.6. Khảo sát dao động điều hòa của con lắc lị xo thẳng đứng .................................54
2.6.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................54
2.6.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................55
2.6.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................56
2.6.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................57
iii


2.6.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................59
2.6.6. Kết luận bài 6 ................................................................................................63
2.7. Khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trƣờng ...............63

2.7.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................63
2.7.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................63
2.7.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................64
2.7.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................66
2.7.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................67
2.7.6. Kết luận bài 7 ................................................................................................72
2.8. Xác định tốc độ truyền âm .................................................................................73
2.8.1. Mục đích thí nghiệm .....................................................................................73
2.8.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................73
2.8.3. Dụng cụ thí nghiệm ......................................................................................74
2.8.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm ...................................................................74
2.8.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý .........................................................................77
2.8.6. Kết luận bài 8 ................................................................................................80
2.9. Kết luận chƣơng 2 ...............................................................................................80
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC DẠY HỌC BÀI THÍ
NGHIỆM THỰC HÀNH: KHẢO SÁT CHU KÌ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC
ĐƠN VÀ ĐO GIA TỐC TRỌNG TRƢỜNG............................................................81
3.1. Cơ sở lí thuyết của việc tổ chức dạy học thí nghiệm thực hành Vật lý ..............81
3.1.1. Phân loại thí nghiệm Vật lý ở trƣờng phổ thơng ..........................................81
3.1.2. Thí nghiệm thực hành Vật lý ........................................................................81
3.2. Xây dựng tiến trình tổ chức dạy học bài thí nghiệm thực hành: Khảo sát chu kì
dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trƣờng ................................................84
3.2.1. Mục tiêu ........................................................................................................84
3.2.2. Chuẩn bị ........................................................................................................85
3.2.3. Thiết kế hoạt động dạy học ...........................................................................85
3.2.4. Nhận xét ........................................................................................................89
3.3. Kết luận chƣơng 3 ...............................................................................................89
KẾT LUẬN ..................................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................92
PHỤ LỤC……………………………………………………………………..….…PL1

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Viết đầy đủ

GV

Giáo viên

HS

Học sinh

CNTT

Công nghệ thông tin

SGK

Sách giáo khoa

THPT

Trung học phổ thông

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ làm việc của cảm biến ...........................................................................5
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ thiết bị thí nghiệm Addestation ..........................................6
Hình 1.3. Các bộ phận bên ngồi aMixer MGA .............................................................7
Hình 1.4. Màn hình chính aMixer MGA .........................................................................7
Hình 1.5. Chức năng của các biểu tƣợng trên màn hình aMixer MGA ..........................8
Hình 1.6. Cách cắm lẫy cảm biến vào Kênh 1 của aMixer MGA ...................................9
Hình 1.7. Sử dụng bút cảm ứng để thu thập kết quả từ aMixer MGA ............................9
Hình 1.8. Amixer MGA mini và giao diện của phần mềm Addestation v6.0. ..............10
Hình 1.9. Cảm biến chuyển động ..................................................................................10
Hình 1.10. Cổng quang điện ..........................................................................................10
Hình 1.11. Cảm biến lực................................................................................................11
Hình 1.12. Cảm biến chuyển động quay .......................................................................11
Hình 1.13. Cảm biến âm thanh ......................................................................................12
Hình 1.14. Cảm biến nhiệt độ ........................................................................................12
Hình 1.15. Bộ thí nghiệm cơ học – động lực học..........................................................12
Hình 1.16. Bộ thí nghiệm cơ học – động học ................................................................13
Hình 1.17. Bộ thí nghiệm rơi tự do ...............................................................................13
Hình 1.18. Bộ thí nghiệm sóng âm ................................................................................13
Hình 2.1. Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng đều .......................................17
Hình 2.2. Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều .........................19
Hình 2.3. Bố trí thí nghiệm xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do .................................26
Hình 2.4. Bố trí thí nghiệm Định luật II Newton ..........................................................34
Hình 2.5. Bố trí thí nghiệm Định luật Hooke ................................................................42
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm Định luật bảo tồn cơ năng ...............................................48
Hình 2.7. Con lắc lị xo thẳng đứng...............................................................................55
Hình 2.8. Bố trí thí nghiệm khảo sát dao động của con lắc lị xo thẳng đứng ..............57
Hình 2.9. Con lắc đơn ....................................................................................................64

Hình 2.10. Bố trí thí nghiệm khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc
trọng trƣờng ...................................................................................................................66
vi


Hình 2.11. Bố trí thí nghiệm xác định tốc độ truyền âm ...............................................75
Đồ thị 2.1. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị lực F và gia tốc a .......................37
Đồ thị 2.2. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị lực F và d0 – d ...........................44
Đồ thị 2.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị gia tốc a và d0 – d ......................60
Đồ thị 2.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chu kì T vào chiều dài l .......................69
Đồ thị 2.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của bình phƣơng chu kì dao động vào chiều
dài l ................................................................................................................................70
Bảng 2.1. Khảo sát chuyển động thẳng đều ..................................................................20
Bảng 2.2. Khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều ....................................................22
Bảng 2.3. Thời gian và vận tốc rơi tự do .......................................................................28
Bảng 2.4. Thời gian và lực trong chuyển động của xe trƣợt .........................................36
Bảng 2.5. Vận tốc và gia tốc trong chuyển động của xe trƣợt ......................................37
Bảng 2.6. Định luật Hooke ............................................................................................43
Bảng 2.7. Giá trị độ cứng của lò xo ...............................................................................44
Bảng 2.8. Khảo sát tại vị trí cao nhất sau lần nảy thứ nhất ...........................................51
Bảng 2.9. Khảo sát tại vị trí ngay sau khi nảy và trƣớc khi chạm đế ............................51
Bảng 2.10. Khảo sát tại vị trí bất kì ...............................................................................52
Bảng 2.11. Khảo sát dao động con lắc lò xo thẳng đứng ..............................................59
Bảng 2.12. Khảo sát ảnh hƣởng của biên độ góc lên chu kì dao động của con lắc đơn
.......................................................................................................................................68
Bảng 2.13. Khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng lên chu kì dao động của con lắc đơn
.......................................................................................................................................68
Bảng 2.14. Khảo sát ảnh hƣởng của chiều dài lên chu kì dao động của con lắc đơn ..69
Bảng 2.15. Xác định tốc độ truyền âm ..........................................................................77
Bảng 2.16. Tốc độ truyền âm trong khơng khí ở một số nhiệt độ nhất định .................78

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ở nƣớc ta, giáo dục luôn đƣợc xem là quốc sách hàng đầu. Trong những năm
trở lại đây, “Đổi mới giáo dục – Nâng cao chất lƣợng dạy học ” đã trở thành khẩu hiệu
mà tất cả mọi ngƣời đều biết đến. Bởi lẽ nếu ta cứ tiếp tục duy trì một nền giáo dục
nặng nề về lý thuyết thì nguy cơ tụt hậu so với các nƣớc tiên tiến khác là tất yếu. Các
nhà lãnh đạo luôn trăn trở để đƣa ra những giải pháp đổi mới toàn diện trong nội dung,
phƣơng pháp dạy học và quy chế kiểm tra đánh giá, nhằm đào tạo một thế hệ con
ngƣời lao động mới đáp ứng đƣợc yêu cầu của thời đại mới – thời đại hội nhập tồn
cầu.
Trong phạm vi mơn khoa học tự nhiên nhƣ Vật lý, thí nghiệm có vai trị quan
trọng trong việc giúp cho học sinh hình thành kiến thức theo con đƣờng thực nghiệm;
từ đó hình thành cho các em thế giới quan khoa học, đúng đắn về các hiện tƣợng tự
nhiên, tạo hứng thú tìm tịi khám phá, đam mê khoa học. Tuy vậy, tình trạng nhiều
thiết bị xuống cấp, gây ra sai số ở nhiều trƣờng nhƣ hiện nay làm cho hiệu quả của các
bài thí nghiệm không đƣợc đánh giá cao. Việc ứng dụng công nghệ thơng tin (CNTT)
vào trong dạy học thí nghiệm Vật lý cho phép ta nâng cao tính hiệu quả và tính chính
xác của các bài thí nghiệm. Nhƣng ứng dụng CNTT nhƣ thế nào vào các bài thí
nghiệm vẫn đang là một thách thức đối với giảng dạy.
Trong thí nghiệm phổ thông, ứng dụng CNTT thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách
dùng các phần mềm để thiết kế thí nghiệm ảo nhƣ Violet, Crocodile, Working
Model,v.v… hoặc là sử dụng các video thí nghiệm mẫu thu thập đƣợc trên mạng. Các
thí nghiệm ảo thực hiện trên các phần mềm có ƣu điểm là giống nhƣ bài giảng điện tử,
giúp cho học sinh dễ hình dung về các hiện tƣợng xảy ra hơn. Tuy nhiên, với tiêu chí
“ Bạn nghe, bạn quên – Bạn thấy, bạn nhớ – Bạn làm, bạn hiểu” thì thí nghiệm ảo
không thể nào thay thế đƣợc những trải nghiệm, kĩ năng thực tế sinh động nhƣ khi

thực hiện thí nghiệm thật. Và thiết bị thí nghiệm dùng cảm biến có lẽ chính là chiếc
chìa khóa mở ra triển vọng cho việc ứng dụng CNTT trong dạy học thí nghiệm.
Để hiểu rõ tính năng ƣu việt của các thiết bị cảm biến và rèn luyện thao tác thí
nghiệm thành thạo, tơi đã tiến hành nghiên cứu và làm thí nghiệm, từ đó xây dựng
bộ tài liệu hƣớng dẫn thực hành một số bài thí nghiệm tiêu biểu trong chƣơng trình
Vật lý THPT bằng thiết bị cảm biến Addestation. Đó là lý do tôi chọn đề tài
1


“Xây dựng một số bài thí nghiệm cơ học thuộc chương trình Vật lý THPT với thiết
bị cảm biến Addestation” để nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Biên soạn đƣợc hƣớng dẫn sử cho các thiết bị thí nghiệm cảm biến
Addestation.
- Xây dựng đƣợc các bài thí nghiệm tiêu biểu trong chƣơng trình Vật lý THPT
có sử dụng các thiết bị cảm biến Addestation.
- Tiến hành thí nghiệm và đƣa ra kết quả thí nghiệm mẫu; nhận xét, rút kinh
nghiệm trong q trình thí nghiệm.
- Xây dựng đƣợc một tiến trình giảng dạy một tiết thực hành thí nghiệm cụ thể.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện đƣợc mục đích nghiên cứu, đề tài cần phải thực hiện các nhiệm vụ
nghiên cứu sau:
 Nghiên cứu tính năng của thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation và mục đích
sử dụng các thiết bị này trong dạy học Vật lý phổ thông.
 Biên soạn hƣớng dẫn sử dụng cho các thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation.
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến các bài thí nghiệm mà đề tài thực
hiện.
 Đề xuất phƣơng án tiến hành thí nghiệm, dự đoán kết quả đạt đƣợc và biên soạn
các bài thí nghiệm.
 Tiến hành thí nghiệm nhiều lần để thu thập và xử lý số liệu, đối chiếu các kết

quả thực tế với các kết quả đã dự đoán.
 Rút ra nhận xét, kết luận và kinh nghiệm trong quá trình thí nghiệm.
 Soạn tiến trình tổ chức dạy học một bài thí nghiệm thực hành cụ thể sử dụng
thiết bị cảm biến Addestation.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài này là các bài thí nghiệm Vật lý trong chƣơng

trình THPT có sự hỗ trợ của các thiết bị cảm biến Addestation.
-

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
+ Phần thí nghiệm cơ học trong chƣơng trình Vật lý THPT.
+ Bộ thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation của hãng Addest, Singapore.

2


5. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Nghiên cứu tài liệu hƣớng dẫn sử dụng thiết bị thí nghiệm cảm biến
Addestation.
 Nghiên cứu lý thuyết trong chƣơng trình Vật lý THPT và tìm phƣơng án tiến
hành các bài thí nghiệm tƣơng ứng với các lý thuyết đó.
 Nghiên cứu phƣơng pháp dạy học thí nghiệm thực hành trong chƣơng trình Vật
lý THPT.

-

Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm:

 Tiến hành thí nghiệm, thu thập và xử lý kết quả.
 So sánh đối chiếu với kết quả mong đợi, rút ra nhận xét và kinh nghiệm trong
quá trình thực hành.
6. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Nằm trong mục tiêu đổi mới phƣơng pháp dạy và học, vấn đề nghiên cứu về các
thiết bị hỗ trợ dạy học thí nghiệm luôn đƣợc các nhà giáo dục nƣớc ta quan tâm và
khuyến khích. Nhiều cơng trình nghiên cứu, sách báo, sáng kiến kinh nghiệm liên
quan đến việc thiết kế thí nghiệm trong chƣơng trình Vật lý THPT nhƣ Xây dựng các
thí nghiệm ảo phần cơ học chất điểm theo sách giáo khoa Vật lí lớp 10 THPT, Nguyễn
Vũ Quốc Hƣng, Nguyễn Xuân Thành (Đại học Sƣ phạm Hà Nội); Thiết kế, chế tạo
một số thiết bị thí nghiệm sử dụng trong dạy học về dao động cơ ở lớp 12, Dƣơng
Xuân Quý,Tạp chí Giáo dục; Xây dựng một số dụng cụ thí nghiệm đơn giản để sử
dụng trong dạy học các kiến thức phần cơ học thuộc chương trình vật lí ở trường phổ
thông, Nguyễn Văn Biên ( Đại học Sƣ phạm Hà Nội),v.v… đã trở thành tài liệu tham
khảo thiết thực để giáo viên tổ chức tiết học thí nghiệm một cách hiệu quả hơn.
Với sự bùng nổ mạnh mẽ của CNTT nhƣ ngày nay, ở các nƣớc tiên tiến, ngƣời
ta đã nhanh chóng ứng dụng thiết bị cơng nghệ hiện đại vào giảng dạy để nâng cao
hiệu quả và dần dần nó nhƣ đã trở thành xu hƣớng tất yếu. Bộ thiết bị thí nghiệm cảm
biến Addestation từ lâu đã đƣợc sử dụng phổ biến trong dạy học các mơn khoa học tự
nhiên nhƣ Vật lý, Hóa học, Sinh học tại nhiều nƣớc trên thế giới: Singapore, Malaysia,
Trung Quốc, Ấn Độ, Irắc, Australia, Mỹ, Đức, … Tại Singapore, thiết bị thí nghiệm
cảm biến Addestation chiếm 90% thị phần. Ở Việt Nam, thiết bị thí nghiệm cảm biến
Addestation cũng đã có mặt tại nhiều trƣờng Đại học Sƣ phạm hàng đầu, đƣợc giới
3

thiệu ở nhiều hội thảo tập trung lớn của các bộ mơn Lý, Hóa, Sinh tại ba miền. Việc
nghiên cứu ứng dụng thiết bị này vào trong dạy học sẽ mở ra một cơ hội phát triển mới
cho dạy học thí nghiệm tại các trƣờng phổ thơng ở Việt Nam.
Tuy nhiên, cho đến nay ở Việt Nam chƣa có đề tài nào tập trung xây dựng các
bài thí nghiệm thuộc chƣơng trình Vật lý THPT với thiết bị thí nghiệm cảm biến
Addestation.

4


NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN ADDESTATION
1.1. Sơ lƣợc về thiết bị cảm biến Addestation
1.1.1. Cảm biến là gì?
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay q trình vật
lý hay hóa học ở mơi trƣờng cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu
thập thơng tin về trạng thái hay q trình đó. Thơng tin đƣợc xử lý để rút ra tham số
định tính hoặc định lƣợng của mơi trƣờng, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học
kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông
tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.[5]
Đại lƣợng cần đo
(m)

Cảm biến

S (đặc trƣng điện)

Hình 1.1. Sơ đồ làm việc của cảm biến

Đặc trƣng điện S là hàm của đại lƣợng cần đo m: S = f(m).
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma,
hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc,
từ trƣờng, trọng trƣờng,v.v…
- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,v.v…[5]
1.1.2. Thiết bị cảm biến Addestation
Thiết bị cảm biến Addestation là một giải pháp thí nghiệm của Singapore, cho
phép hiển thị kết quả đo ở nhiều dạng, phân tích, lƣu lại giá trị đo trong q trình thí
nghiệm và kết nối máy tính thông qua các cảm biến và bộ kết nối.
1.1.2.1. Mục đích sử dụng
Bộ thiết bị đƣợc thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng giáo dục, phục vụ chức
năng nghiên cứu nâng cao, địi hỏi độ chính xác cao của các thí nghiệm chuyên sâu
của học sinh và giáo viên.

5


1.1.2.2. Cấu trúc của bộ thiết bị

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ thiết bị thí nghiệm Addestation

- Dụng cụ thí nghiệm: thiết bị thí nghiệm truyền thống đƣợc chọn lọc hoặc thiết kế
riêng để tạo ra tín hiệu đầu vào phù hợp với cảm biến.
- Cảm biến: là các phần tử thu nhận các tín hiệu sinh ra trong q trình thí nghiệm
và truyền trực tiếp về máy tính hoặc thông qua Bộ kết nối (aMixer).
- Bộ kết nối (aMixer): là bộ phận biến đổi tín hiệu.
- Máy tính: là công cụ điều khiển và hiển thị kết quả thí nghiệm.
- Phần mềm Addestation: là phần mềm chuyên dụng để điều khiển, xử lý và hiển
thị kết quả thí nghiệm.

- Máy chiếu và màn chiếu: là công cụ hỗ trợ để đƣa hình ảnh thí nghiệm tới nhiều
ngƣời.
1.1.2.3. Ƣu điểm của thiết bị
- Các thiết bị, dụng cụ nhỏ gọn hơn rất nhiều so với thiết bị truyền thống, giúp dễ
dàng thiết lập và thực hiện thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm ln định lƣợng rõ ràng,
chính xác và có tính ổn định cao.
- Ở thiết bị thí nghiệm truyền thống, với mỗi một đại lƣợng thì sẽ có bộ dụng cụ đo
và hiển thị thông tin khác nhau. Nhƣng với Addestation thì chỉ cần thay đổi cảm biến
cịn bộ kết nối, máy tính là nhƣ nhau, do đó giúp quá trình lắp đặt đơn giản, gọn nhẹ
hơn.
- Các tín hiệu đặc trƣng của thí nghiệm đƣợc truyền trực tiếp và hiển thị liên tục
trên màn hình máy tính, thể hiện đƣợc sự biến thiên (chiều biến thiên và độ lớn) của
các đại lƣợng ngay trong quá trình tiến hành thí nghiệm; giúp học sinh hiểu rõ bản chất
vấn đề, dễ dàng liên hệ và kiểm chứng lý thuyết.

6


- Phần mềm Addestation đƣợc thiết kế có giao diện tiếng Việt thân thiện giúp giáo
viên và học sinh dễ dàng tiếp cận, thực hành thí nghiệm. Màn hình cảm ứng của thiết
bị hiển trị giúp học sinh có thể tƣơng tác trực tiếp trên đồ thị để thu thập số liệu tại
điểm bất kì. Đặc biệt phần mềm cịn có các cơng cụ phân tích tốn học ( ví dụ: vi phân,
hồi quy tuyến tính, tốc độ quay, v.v… ) cho kết quả thu đƣợc.
- Có thể kết nối thiết bị trình chiếu để mọi ngƣời cùng theo dõi, hoặc lƣu giữ kết
quả thí nghiệm thành các file dữ liệu để sử dụng cho mục đích tra cứu, giảng dạy
(minh họa cho bài giảng lý thuyết). Việc lƣu giữ kết quả thí nghiệm một phần giúp học
sinh có thể thu thập lại khi phát hiện sai sót, một phần giúp giáo viên kiểm tra tính
chân thực của các bài báo cáo thí nghiệm, tránh triệt để đƣợc tình trạng số liệu ảo.
- Dễ dàng thực hiện đƣợc những thí nghiệm mà thiết bị dạy học tối thiểu không
thực hiện đƣợc hoặc khó thực hiện nhƣ sự dẫn nhiệt, khảo sát dịng điện qua chỉnh lƣu,

sự phóng nạp tụ điện hay các mạch logic.
1.2. Bộ giải pháp Addestation trong thí nghiệm Vật lý THPT
Trong thí nghiệm Vật lý THPT, Addestion cung cấp bộ giải pháp gồm 3 bộ phận:
thiết bị xử lí dữ liệu, các cảm biến và các bộ dụng cụ thí nghiệm.
1.2.1. Thiết bị xử lí dữ liệu
Thiết bị xử lí dữ liệu có thể là thiết bị cầm tay aMixer MGA hoặc thiết bị kết nối
máy tính aMixer MGA mini và phần mềm Addestation.
1.2.1.1. Thiết bị cầm tay aMixer MGA
Amixer MGA ( aMixer Meter Graph Analysis) là thiết bị thu nhận, xử lý và hiển
thị dữ liệu đo đƣợc của các cảm biến trên màn hình cảm ứng.

Hình 1.3. Các bộ phận bên ngồi aMixer MGA

7

Hình 1.4. Màn hình chính aMixer MGA


Amixer MGA xử lí kết quả và hiển thị trực tiếp ra màn hình dƣới dạng đồ thị của
các đại lƣợng đặc trƣng theo thời gian. Có 2 thanh cơng cụ ở phía dƣới màn hình, ta
chỉ cần chạm nhẹ vào các biểu tƣợng để sử dụng các tính năng của chúng.

Hình 1.5. Chức năng của các biểu tƣợng trên màn hình aMixer MGA

Biểu tƣợng

Chức năng

Mơ tả

Chọn cảm biến Lựa chọn chế độ đo, thang đo của các cảm biến đang
kết nối với aMixer MGA
Chọn điểm cần Sử dụng chức năng này tích chọn điểm trên đồ thị để
phân tích

thu đƣợc tọa độ của điểm đó. Chức năng này cịn cho
phép ta chọn một vùng đồ thị nào đó để phân tích.

Ghi file dữ

Lƣu đồ thị thu đƣợc vào thẻ SD dƣới dạng file MGA

liệu

và mở đƣợc bằng phần mềm Addestation.

Mở file

Mở file MGA đã đƣợc lƣu trong thẻ SD.

Hiển thị sự

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dữ liệu kênh 1

phụ thuộc dữ

và kênh 2 ( dữ liệu của các kênh đƣợc nhập bằng tay)

liệu kênh 1
vào kênh 2

Đánh dấu

Thu giá trị tung độ của một điểm khi nhập giá trị

8


điểm đặt biệt

hoành độ và ngƣợc lại.

Thống kê dữ

Hiển thị giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, giá trị cực

liệu

đại, cực tiểu, độ lệch thời gian của dữ liệu trong vùng
đồ thị đƣợc chọn.

Phân tích dữ

Sử dụng phƣơng pháp đạo hàm và hồi quy tuyến tính

liệu

để phân tích đồ thị thu đƣợc thành đồ thị mới ( dùng
khi cần thu giá trị vận tốc, vận tốc góc, phƣơng trình
đƣờng biểu diễn quan hệ giữa hai đại lƣợng).

Để sử dụng thiết bị aMixer MGA, ta bật công tắc và cắm lẫy của cảm biến vào các
khe ở đầu aMixer MGA, thiết bị sẽ tự động nhận cảm biến. Sử dụng bút cảm ứng bên
hông MGA để lựa chọn chế độ đo phù hợp và bắt đầu thực hiện phép đo. Trên đồ thị
thu đƣợc, khi ta chọn bất kì điểm nào thì tọa độ điểm đó sẽ xuất hiện cho ta giá trị tức
thời của các đại lƣợng tại thời điểm đó. Tùy vào mục đích thí nghiệm ta sử dụng các
chức năng từ thanh công cụ để hỗ trợ việc ghi kết quả.

Hình 1.6. Cách cắm lẫy cảm biến vào Kênh 1
của aMixer MGA

Hình 1.7. Sử dụng bút cảm ứng để thu
thập kết quả từ aMixer MGA

Amixer MGA có thể kết nối với máy tính thơng qua dây cáp với điều kiện máy tính
phải đƣợc cài đặt phần mềm Addestation.
1.2.1.2. Thiết bị kết nối máy tính aMixer MGA mini
Là thiết bị thu nhận tín hiệu từ các cảm biến và truyền về máy tính thơng qua cổng
USB để đo đạc kết quả và xử lý tín hiệu trên máy tính bằng phần mềm Addestation.
Tƣơng tự nhƣ aMixer MGA, thiết bị aMixer MGA mini có thể xử lý kết quả và
hiển thị cùng lúc dữ liệu thu nhận từ 4 kênh cảm biến và hiển thị trên màn hình máy
tính.
9


Hình 1.8. Amixer MGA mini và giao diện của phần mềm Addestation v6.0

1.2.2. Các cảm biến
Addest cung cấp nhiều loại cảm biến khác nhau nhằm phục vụ nhu cầu nghiên cứu
rộng rãi: cảm biến chuyển động, cảm biến dòng điện, cảm biến điện thế, cảm biến ánh
sáng, cảm biến từ trƣờng, cảm biến áp suất khí,v.v… Ở đây tơi sẽ chỉ giới thiệu một

số cảm biến đƣợc sử dụng trong đề tài.
1.2.2.1. Cảm biến chuyển động
Cảm biến này dùng để đo khoảng cách từ mặt cảm biến đến vật. Bộ chuyển đổi
siêu âm phát xung sóng siêu âm và nhận lại sóng

Bộ chuyển đổi siêu âm

phản xạ từ vật cản. Dựa trên thời gian từ lúc phát
đến lúc nhận, cảm biến chuyển động sẽ tính tốn
khoảng cách giữa nó và vật cản.
Cảm biến này có 2 thang đo : 0,15 ~ 1,6m
hoặc 0,4 ~ 10m, chỉ cần gạt công tắc bên hông
cảm biến lên hoặc xuống để lựa chọn thang đo
tƣơng ứng.

Cơng
tắc
Hình 1.9. Cảm biến chuyển động

1.2.2.2. Cổng quang điện
Cổng quang điện hoạt động dựa trên việc phát/ thu tia hồng ngoại giữa đầu phát và
đầu thu.
Nếu khơng có vật cản trên đƣờng truyền tia hồng
ngoại, đầu thu sẽ nhận đầy đủ tín hiệu và cổng
quang điện sẽ sinh ra một điện áp 5 V.
Nếu có vật nào đó ở giữa đầu phát và đầu thu, tia
hồng ngoại sẽ bị chặn và cổng quang điện sẽ không
sinh điện áp. Khi kết nối cổng quang điện với thiết
Hình 1.10. Cổng quang điện

10


bị aMixer MGA, đồ thị điện áp – thời gian thu đƣợc sẽ cho phép ta đo thời gian, xác
định vận tốc, gia tốc của vật.
1.2.2.3. Cảm biến lực
Cảm biến này đƣợc sử dụng để đo lực: lực kéo
và lực đẩy. Ta có thể sử dụng cảm biến nhƣ một lực
kế lò xo cầm tay hoặc gắn trên xe đẩy để nghiên cứu
các bài toán động học. Khi treo vật hoặc gây tác
động lên móc cảm biến, cảm biến lực sẽ đo trực tiếp
giá trị đại số của lực tác dụng lên móc cảm biến này.
Cảm biến này có 2 thang đo : 10N hoặc 50N ,

Hình 1.11. Cảm biến lực

chỉ cần gạt công tắc bên hông cảm biến lên hoặc xuống để lựa chọn thang đo tƣơng
ứng.
1.2.2.4. Cảm biến chuyển động quay
Cảm biến đƣợc dùng để đo tọa độ dài hoặc góc,

Rịng rọc 3-bƣớc

và thu đƣợc vận tốc dài hoặc góc, gia tốc. Nó cịn
cho biết cả hƣớng chuyển động.
Cảm biến này đƣợc thiết lập để hoạt động ở độ
chính xác cao hoặc thấp tùy theo yêu cầu của ngƣời
dùng. Ta chỉ cần gạt công tắc bên hông cảm biến ở
vị trí “Hi” (cao) hoặc “Lo” (thấp) để thiết lập độ
chính xác.

Trên cảm biến có 2 trục: 1 trục có nhãn “ Trục để
chèn RỊNG RỌC để đo lƣờng” có thể quay một

Hình 1.12. Cảm biến
chuyển động quay

cách trơn tru gần nhƣ khơng ma sát, dùng để gắn rịng rọc 3-bƣớc vào; trục còn lại dán
nhãn “Trục để chèn BÁNH XE” để ta gắn thêm một bánh xe ( nằm trong bộ phụ kiện)
vào cảm biến, giúp cảm biến di chuyển một cách dễ dàng trên bề mặt, dùng trong thí
nghiệm đo tọa độ dài. Cảm biến chuyển động quay thƣờng đi kèm một bộ phụ kiện
giúp mở rộng phạm vi sử dụng.
Để sử dụng cảm biến này, ta thƣờng gắn vật cần đo vào ròng rọc 3- bƣớc, chuyển
động của vật sẽ làm cho ròng rọc 3- bƣớc quay và cảm biến sẽ thu thập giá trị góc
quay của ròng rọc.

11


1.2.2.5. Cảm biến âm thanh
Cảm biến âm thanh sử dụng

một đầu thu

micro- phone nối vào Bộ khuếch đại tín hiệu trƣớc
khi kết nối với thiết bị aMixer MGA. Cảm biến
này dùng để phát hiện ra các âm thanh, phân tích
và ghi lại đồ thị dao động âm.
Phạm vi tần số hoạt động: 20 – 20 000 Hz, tần

Hình 1.13. Cảm biến âm thanh

số đáp ứng 50 – 13 000 Hz.
1.2.2.6. Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ có đầu đo là thép không rỉ,
hoạt động trong phạm vi 20 ~ 1200 C với độ chính
xác 0, 030 C ). Ƣu điểm của cảm biến nhiệt độ so với
nhiệt kế là khả năng lƣu trữ giá trị đo đạc vào máy
tính, từ đó giúp việc phân tích dễ dàng hơn.

Hình 1.14. Cảm biến nhiệt độ

1.2.3. Các bộ dụng cụ thí nghiệm
Các bộ dụng cụ thí nghiệm đƣợc thiết kế riêng biệt ứng với từng phần kiến thức Cơ
học, Quang học, Nhiệt học và Điện từ học nhằm giúp giáo viên có thể áp dụng vào bài
dạy một cách linh hoạt, mặc khác phát huy khả năng tự học, tự tìm tịi nghiên cứu sáng
tạo của học sinh. Ở đây tôi sẽ chỉ giới thiệu một số bộ cảm biến đƣợc sử dụng trong
đề tài.
1.2.3.1. Bộ thí nghiệm cơ học – động lực học
Chức năng: Nghiên cứu khảo
sát:
- Động học: các dạng chuyển
động; đo gia tốc và vận tốc.
- Động lực học: các định luật
Newton.
- Các định luật bảo tồn: định

Hình 1.15. Bộ thí nghiệm cơ học – động lực học

luật bảo toàn động lƣợng, định luật bảo toàn cơ năng.

12


1.2.3.2. Bộ thí nghiệm cơ học – động học
Chức năng: Nghiên cứu khảo sát
- Động học: các dạng chuyển động;
đo gia tốc và vận tốc.
- Các dạng dao động cơ học.
- Định luật bảo tồn cơ năng.
Hình 1.16. Bộ thí nghiệm cơ học – động học

1.2.3.3. Bộ thí nghiệm rơi tự do
Chức năng: Nghiên cứu khảo sát
- Chuyển động rơi tự do.
- Xác định gia tốc trọng trƣờng.
- Định luật bảo tồn cơ năng.

Hình 1.17. Bộ thí nghiệm rơi tự do

1.2.3.4. Bộ thí nghiệm sóng âm
Chức năng: Nghiên cứu khảo sát
- Sự truyền sóng âm và phản xạ âm.
- Các đặc trƣng của âm thanh: tần số âm,
vận tốc truyền âm, độ to, âm sắc, độ cao.
- Cộng hƣởng âm, giao thoa, nhiễu xạ sóng
âm.

Hình 1.18. Bộ thí nghiệm sóng âm

1.3. Kết luận chƣơng 1

Trong chƣơng này, tôi đã nghiên cứu và trình bày một cách tổng quát về thiết bị thí
nghiệm cảm biến Addestation. Bên cạnh việc giới thiệu bộ thiết bị thí nghiệm cảm
biến Addestation là gì, cách sử dụng cơ bản của các thiết bị, tôi đã đi sâu phân tích
những ƣu điểm vƣợt trội của giải pháp thí nghiệm này so với các dụng cụ thí nghiệm
truyền thống. Trong đó, ƣu điểm nổi bật nhất là hiển thị đƣợc giá trị tức thời của các
đại lƣợng đo trên đồ thị và ngƣời làm thí nghiệm có thể tƣơng tác trực tiếp trên đồ thị
để thu thập số liệu tại một điểm bất kì. Tuy bộ thí nghiệm đơn giản và dễ sử dụng,
nhƣng để áp dụng vào trong những giờ học với thời gian hạn hẹp địi hỏi ngƣời làm thí
nghiệm phải trang bị cho mình những hiểu biết cơ bản và cách sử dụng bộ thiết bị này.
13


Trên cơ sở nghiên cứu kĩ lƣỡng bộ thí nghiệm, tơi đã tiến hành xây dựng một số bài
thí nghiệm tiêu biểu trong chƣơng trình Vật lý THPT sử dụng thiết bị cảm biến
Addestation.

14


CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TIÊU
BIỂU SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION
2.1. Khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng
2.1.1. Mục đích thí nghiệm
- Thu đƣợc đồ thị toạ độ - thời gian của xe chạy.
- Nghiên cứu chuyển động thẳng dựa vào đồ thị tọa độ - thời gian. Nghiệm lại các
lí thuyết đã học ở phần chuyển động thẳng đều và chuyển động thẳng biến đổi đều.
- Rèn luyện kĩ năng sử dụng bộ thí nghiệm cơ – động lực học và xử lí số liệu thu
đƣợc từ thiết bị cảm biến Addestation.
2.1.2. Cơ sở lý thuyết
Chuyển động cơ là sự dời chỗ của vật theo thời gian. Khi kích thƣớc của vật nhỏ so

với phạm vi chuyển động thì vật đƣợc xem nhƣ một chất điểm.
Để nghiên cứu chuyển động của chất điểm, ta cần chọn hệ quy chiếu bao gồm vật
mốc gắn với hệ tọa độ, gốc thời gian, đồng hồ.
Khi quỹ đạo chuyển động của chất điểm là đƣờng thẳng, ta có:
- Độ dời:

x  x2  x1

- Vận tốc trung bình: vtb 

(1.1)

x
t

(1.2)

- Vận tốc tức thời:

v

x
t

( ∆t rất nhỏ)

(1.3)

- Gia tốc tức thời:

a

v
t

( ∆t rất nhỏ)

(1.4)

Chuyển động thẳng đều

Chuyển động thẳng biến đổi đều

 a=0

 a = hằng số

 v = hằng số



v  v0  a(t  t0 )
v.a > 0 : chuyển động nhanh dần
v.a < 0 : chuyển động chậm dần

 Phƣơng trình chuyển động:

 Phƣơng trình chuyển động:

x  x0  v(t  t0 )

1
x  x0  v0 (t  t0 )  a(t  t0 ) 2
2

 Đồ thị tọa độ - thời gian là một

 Đồ thị tọa độ - thời gian là một phần

15


đƣờng thằng xiên góc xuất phát

của đƣờng parabol.
 Cơng thức liên hệ:

từ điểm ( x0 , t0)

v 2  v02  2ax
Trong bài này, ta sẽ sử dụng cảm biến chuyển động để đo khoảng cách giữa mặt
cảm biến và tấm chắn của xe trƣợt. Từ đó thu đƣợc đồ thị li độ - thời gian của xe khi
xe chuyển động và sử dụng chức năng của aMixer MGA để phân tích đồ thị thu đƣợc.
2.1.3. Dụng cụ thí nghiệm
STT

Tên dụng cụ

1

1 thiết bị aMixer MGA

2

1 cảm biến chuyển động

3

Các dụng cụ trong bộ thí

Hình ảnh

nghiệm Cơ - động lực học:
+ 1 xe trƣợt
+ 1 tấm chắn
+ 1 khối cản
+ 1 khối cố định
+ 1 kẹp
+ 1 thanh sắt
+ 1 đƣờng dẫn
4

1 khối gỗ

16